fonctionnement d'un moteur 2 temps

Ludo Dim 30 Mar - 23:06

Un moteur à deux temps comporte des pistons qui se déplacent dans des cylindres. Le déplacement du piston, par l'intermédiaire de lumières entre la partie basse du carter et la partie haute du cylindre permet d’évacuer les gaz brulés et remplir le cylindre de gaz frais.

fonctionnement d'un moteur 2 temps Two-Stroke_Engine

Animation du fonctionnement d'un moteur à deux temps

[ltr]Sommaire
[afficher] [/ltr]

Origine[ltr][modifier | modifier le code][/ltr]
S'inspirant des travaux de Paul Hugon, le premier moteur à deux temps a été conçu par l'ingénieur Belge Étienne Lenoir en 18591. Ce moteur a été amélioré par l'ingénieur anglais Dugald Clerk en 1878.
Le moteur à deux temps dans une forme à peu près identique à ce que nous connaissons aujourd'hui a été conçu par un autre ingénieur anglais, Joseph Day (en), en 1889.
Cycle du moteur[ltr][modifier | modifier le code][/ltr]

Cylindre à deux temps vu de dessous :
- à gauche l'échappement,
- à droite, l'admission : Les gaz d'admission passent dans le bas moteur, puis dans les deux transferts (en haut et en bas sur la photo) pour aboutir dans le cylindre.

Le cycle à deux temps d’un moteur à combustion interne diffère du cycle de Beau de Rochas en ayant un cycle de seulement deux mouvements linéaires du piston au lieu de quatre, bien que les mêmes quatre opérations (admission, compression, combustion/détente et échappement) soient toujours effectuées. Nous avons ainsi un cycle moteur par tour au lieu d'un tous les deux tours pour lemoteur à quatre temps. Le cycle se décompose ainsi2 :

compression, combustion, détente puis échappement avec transfert du mélange combustible frais par la fenêtre de transfertN 1
admission et compression du mélange dans la partie basse du moteurN 2

Les différentes étapes sont les suivantes2 :

le piston (5) est au point mort haut. La bougie déclenche la combustion et le piston descend en comprimant en même temps le mélange présent dans le carter (4), sous le piston. C'est la partie motrice du cycle, le reste du parcours sera dû à l'inertie créée par cette détente. Cette étape est la détente. Lors de cette descente du piston, l'entrée (6) du mélange dans le carter se ferme.

Arrivé à proximité point mort bas (image « Admission et échappement »), le piston débouche les lumières d'échappement (2) et d'arrivée de mélange dans le cylindre (3) : le mélange en pénétrant dans le cylindre chasse les gaz de la combustion (zone 1 de l'image). Il s'agit de l'étape d'admission - échappement.

En remontant (image « Compression »), le piston compresse le mélange dans le cylindre. Au passage, il rebouche l'échappement (2) et l'entrée de mélange dans le cylindre (3), tout en créant une dépression dans le carter (4) qui va permettre l'arrivée du mélange air-essence par le conduit d'arrivée (6) dont l'entrée a été libérée par la position du piston proche du point mort haut. Cette étape est celle de « compression ».

Une fois arrivé à nouveau au point mort haut, le cycle peut recommencer à partir du premier point.

fonctionnement d'un moteur 2 temps Cycle_du_moteur_deux_temps

Particularités[ltr][modifier | modifier le code][/ltr]

Moteurs simples (pas de distribution, pas d'arbre(s) à cames ni de soupapes) léger, avec peu de pièces en mouvement ;
Moteurs facilement reconnaissables par l'implantation basse de l'échappement et du carburateur sur le cylindre, et non sur la culasse ;
Puissance spécifique voisine de 1,7 fois celle d'un moteur 4-temps (il a fallu autoriser les 4-temps de 990 cm³ de cylindrée pour obtenir un équivalent des moteurs deux-temps de 500 cm³ sur les motos de Grand Prix qui étaient très polluantes à cause de la combustion d'une partie de l'huile servant a la lubrification) ;
Consommation de carburant en rapportN 3;
Lubrification par mélange (huile dans l'essence) ou par injection d'huile (graissage séparé), d'où émission de fumée ;
Faible taux de compression géométrique (environ 7), compensé par l'effet de compresseur effectué par la face inférieure du piston dans le cylindre, et le pot accordé, aboutissant à une compression réelle d'environ 10 ;
Bruit spécifique, plus aigu que celui d'un moteur à quatre tempsN 4.

Évolutions[ltr][modifier | modifier le code][/ltr]
Le moteur 2 temps n'a pas toujours connu les performances que l'on lui connait aujourd'hui. Il s'agissait même auparavant, d'un moteur capricieux, poussif et au rendement désespérément faible. Très tôt, les ingénieurs vont apporter des évolutions pour contrecarrer le principal problème du moteur deux temps, le fait que les lumières d'admissions et d'échappements ne soient pas totalement fermées lors de la phase montante du piston. Ceci provoque trois phénomènes biens connus :

Important manque de compression ;
croisement des gaz frais et gaz brûlés au niveau du cylindre et de l'échappement ;
Refoulement partiel du mélange dans le carburateur.

Plusieurs évolutions ont donc été développés au fil du temps. Certaines d'entre elles sont aujourd'hui répandues, d'autres, plus marginales. Les évolutions majeures sur les moteurs grand public sont les suivantes :

Pot de détente accordé améliorant le balayage et repoussant les gaz frais dans le cylindre. À noter que les pot d'échappement d'origine sur les cyclomoteurs homologués en France disposent volontairement d'un faible débit afin de brider le moteur pour éviter de dépasser 45 km/h;
Clapets à l'admission, plats ou en forme de toit afin de rendre asymétrique le cycle d'admission dans le carter. Ce dispositif a été inventé par Jean Bidalot dans les années 1970. Il se trouve généralement sur le carter (parfois sur le cylindre). L'admission par clapet constitue à elle seule une petite révolution : elle permet l'ajout d'un transfert à l'arrière du cylindre, rendant ainsi le moteur plus performant, et supprime le problème de refoulement de gaz dans le carburateur, ce qui permet aussi un démarrage plus facile à froid et de meilleures reprises (précompression améliorée).
Hauteur variable de la lumière d'échappement en fonction du régime, afin d'augmenter le temps d'échappement à haut régime seulement (couramment appelées "Valves d'échappement"). Rare sur les cyclomoteurs mais répandus sur les machines de plus grosses cylindrés ;
Utilisation d'allumage à avance variable permettant d'avoir le maximum de performance à différents régimes (facilité par l'arrivée des allumages électroniques) ;

Autres évolutions plus marginales

Valve d'admission, d'un fonctionnement similaire aux clapets ;
Distributeurs rotatifs. Dans ce cas, l'admission des gaz frais s'effectue par un disque possédant une échancrure et fixé en bout de vilebrequin (l'admission est effectuée quand l'échancrure communique avec la conduite d'admission du carburateur). Il a été très peu développé dans le domaine du 2 roues pour sa complexité et son coût;
Chambre de résonance ouverte à bas régime pour simuler un pot plus long accordé ;
Utilisation d'un deuxième cylindre pour assurer la pré compression. Ce type de moteur a équipé la célèbre 99z de motobécane, ainsi que certaines voiturettes ;
Injection directe (encore en étude) ;
Balayage avec de l'air au lieu du mélange air-essence et injection (directe ou non) une fois l'échappement refermé (encore en étude) ;

Qualité des huiles

L'amélioration de la qualité des huiles au fil des années a énormément contribué à l'amélioration de la robustesse et du rendement des moteurs deux temps. Jusqu’à la fin des années 1980 et même au début des années 1990, les moteurs étaient lubrifiés par des huiles minérales de mauvaises qualité, au film fragile, cassant facilement entraînant des serrages des moteurs. La quantité d'huile à utiliser devait être importante pour pallier ce problème. La proportion d'huile-essence devait être de 4% minimum ;
Avec les huiles de synthèses ou semi-synthèses actuelles, une proportion huile-essence de 2 à 3% est largement suffisante, la consommation d'huile est donc nettement diminué et la longévité des moteurs accrues ;
Le graissage séparé améliore également le rendement et la lubrification du moteur (pourcentage huile essence variable en fonction du régime) tout en supprimant la contrainte du mélange directement dans le réservoir, peu pratique (utilisation d'un mélangeur de station service avec des huiles bas de gamme, mélange effectué par l'utilisateur directement dans le réservoir, "secouage" de la machine avant chaque départ, etc.). Le graissage par mélange n'est pratiquement plus utilisé que sur les machines de courses ou encore sur des engins type tronçonneuse, souffleur, etc.

Utilisation[ltr][modifier | modifier le code][/ltr]
Ce type de moteur est courant surtout dans les plus petites cylindrées. Ils ont les avantages de la simplicité, d’un poids et d'un encombrement réduit ainsi que de fonctionner dans toutes les orientations sans nécessiter de lubrification par carter sec.
Motocyclettes[ltr][modifier | modifier le code][/ltr]
Dans les années 1970, le moteur à deux temps était à la mode. À cette époque, beaucoup de constructeurs de motocyclettes quatre temps ont développé des modèles avec des moteurs deux-temps, même de grosse cylindrée, comme la Kawasaki 750 H2. En France, la Motobécane 125 de 1970 est le reflet même de cette époque. Cependant, l'augmentation du prix du pétrole et les normes antipollution de plus en plus contraignantes ont progressivement limité l'usage de ce type de moteur.
À remarquer néanmoins que pour des raisons de coût, de fiabilité et de poids; les motos de tout-terrain à moteur deux temps sont de plus en plus présentes au départ des compétition (motocross, enduro et trial).

Kawasaki 750 Mach IV H2

Motobecane lt-125

Automobile[ltr][modifier | modifier le code][/ltr]
La plus connue des automobiles a moteur deux temps est la série des véhicules Trabant, fabriqué en RDA par l'entreprise VEB Sachsenring Automobilwerk Zwickau.
En Pologne, la société FSO a produit de 1957 à 1983 une voiture à moteur 2 temps : la FSO Syrena.
Le constructeur suédois Saab a utilisé des moteurs 2 temps pour motoriser ses modèles 92001, 92, 93, ainsi que les premières 96.
Des micro-citadines ont également utilisé un moteur 2 temps comme l'Isetta conçue par la firme italienne ISO Rivolta.

fonctionnement d'un moteur 2 temps 120px-TrabiLondon

Trabant 601

FSO Syrena 101

Saab 96 de 1961

Isetta

Tronçonneuses et souffleurs de feuilles[ltr][modifier | modifier le code][/ltr]
On utilise aujourd'hui les petits moteurs 2-temps dans toutes sortes d'engins demandant une vitesse de révolution élevée en prise directe, comme les tronçonneuses ou les souffleurs de feuilles, et sur des véhicules comme le karting ou de nombreux scooters, lesquels disposent d'un système d'embrayage.

fonctionnement d'un moteur 2 temps 91px-Chainsaw

tronçonneuse

karting

Scooter

Moteurs diesel[ltr][modifier | modifier le code][/ltr]
Le cycle 2-temps reste très exploité dans les énormes moteurs Diesel, comme ceux propulsant des navires. L'échappement s'effectue souvent par une ou des soupapes et l'admission par des lumières. Historiquement, il a été utilisé sur des moteurs assez exotiques comme des moteurs à pistons opposés Junkers Jumo 205 (de), des moteurs en Delta (vedettes et locomotives) Napier Deltic (de), Fairbanks-Morse (de) et poids lourds Detroit Diesel, etc. L'alimentation en air (balayage) d'un Diesel 2-temps est assurée par un ou plusieurs compresseurs (souvent type Roots), parfois assistés d'un ou plusieurs turbocompresseurs.
Opérations de base[ltr][modifier | modifier le code][/ltr]
Le moteur au cycle à deux temps est simple dans sa construction mais d'une dynamique complexe pour ses opérations.
Avantages par rapport au 4 temps[ltr][modifier | modifier le code][/ltr]

Mécanique simple : pas de mécanique complexe (distributions, soupapes) à démonter lors de l'ouverture du moteur. Facile à réparer soit même avec un minimum d'outillage courant et un peu de connaissances en mécanique.
30% plus léger et 30% moins encombrant qu'un moteur 4 temps de même cylindrée
Plus puissant à cylindrée égale (1,7 fois plus puissant environ sur les moteurs actuels)
Utilisable dans toutes les positions sans modification particulière.

Inconvénients[ltr][modifier | modifier le code][/ltr]
Le moteur 2 temps présente aussi des inconvénients :
Inconvénients majeurs[ltr][modifier | modifier le code][/ltr]
Les problèmes majeurs sont :

la distance courte entre la charge fraîche et les gaz brulés, ce qui provoque une perte d’hydrocarbures imbrûlés. Des phénomènes de résonance induits par un pot de détente aident à résoudre cette difficulté, ou l'injection directe, qui permet de balayer le cylindre avec de l'air pur, le carburant n'étant injecté qu'à la fin. Si un simple pot d'échappement est utilisé, pendant la phase d'admission/échappement, jusqu'à 30 % du mélange peut être perdu.

le lubrifiant dans son carburant pour graisser le cylindre qui génère une émission d'huile (plus ou moins brûlée) dans l'atmosphère, le rendant ainsi polluant. C'est cet inconvénient qui explique en grande partie son abandon progressif au profit du 4-temps.

Ayant deux fois plus de combustions à régime égal qu'un 4-temps, le cylindre du moteur a tendance à chauffer plus rapidement que le quatre temps mais pas plus d'où le perlage de bougie, inconvénients pouvant être écartés par un refroidissement efficace (liquide) et des bougies de bonne qualité.

Un moteur deux-temps peut, en hiver notamment, être très difficile à démarrer, car le carburant s'évapore moins bien lorsqu'il fait froid, d'autant plus que le carburant doit passer dans le carter (encore froid), avant d'atteindre le cylindre. Si le moteur est froid, une grosse partie du carburant se condense sur les parois, quand il y a décompression, une petite partie du carburant injecté passera du carter à la chambre de combustion. Ceci est un réel problème, lorsqu'une personne n'arrive pas à démarrer sa machine, une grosse quantité de carburant peut se condenser et rester dans le carter. Lorsque le moteur démarre, ce carburant accumulé s'échappera et enrichira le mélange de manière excessive. Généralement, lorsqu'une grosse quantité de carburant ainsi stockée dans le carter et que le moteur démarre, le moteur montera d'un coup dans les tours avant de redescendre à son régime de ralenti.

Le moteur deux-temps est surtout efficace à haut régime, car en dessous de 6 000 tr/min ce moteur ne développe qu'une puissance limitée et peu de couple.

Le moteur deux-temps est une source de pollution importante du fait des rejets d'huile et d’hydrocarbures imbrûlés potentiellement cancérigènes. Selon une étude américaine, un moteur deux temps conventionnel émet 151 grammesd'hydrocarbures par kWh, un moteur deux temps à injection directe environ 40 grammes par kWh, un moteur 4 temps de même puissance émettrait 4 grammes par kWh3

Inconvénients mineurs[ltr][modifier | modifier le code][/ltr]

Faible frein moteur ;
Cale souvent à bas régime ;
Usure plus rapide de la segmentation (et donc du piston) qui contrairement à un moteur 4-temps, pénètre légèrement dans les différentes lumières d'admission(s) et d'échappement(s) lors du mouvement dans le cylindre. Cependant l'usure plus rapide est aussi due au fait que la plage d'utilisation d'un moteur 2 temps est en général sur un régime moteur plus élevé que sur les moteurs 4 temps.

Notes et références[ltr][modifier | modifier le code][/ltr]
Notes[ltr][modifier | modifier le code][/ltr]

↑ Ces actions combinées ne permettent pas un mélange gazeux optimum, car les gaz frais poussent les gaz brulées, d’où risque de mélange des deux. Cependant sur les gros moteurs l'injection direct évite ce problème
↑ La dépression créée par la remontée du piston déclenche l'ouverture du clapet et l'admission du mélange carburant + oxygène + huile de lubrification
↑ Du fait de l'ouverture simultanée de la lumière d'admission de gaz frais et de celle d'échappement
↑ Du fait des régimes moteur plus élevés que sur un moteur a quatre temps